3. Интерфейсы микропроцессорных устройств

При выборе стандарта для построения пространственно распределенных систем автоматического управления реального масштаба времени (САУ РВ) разработчик должен оценить прежде всего следующие параметры [13]:

– геометрические размеры сети;

– обеспечение гарантированного времени доставки сообщений;

– достоверность и надежность передачи информации;

– удобство работы с выбранным стандартом в плане стандартизации решений и унификации оборудования;

– наличие как можно большего числа стандартизированных уровней из семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (OSI);

– оптимальное соотношение “возможности/цена”.

3.1. Параллельные интерфейсы

Параллельные интерфейсы характеризуются тем, что в них для передачи бит в слове используются отдельные сигнальные линии, и биты передаются одновременно [5]. Параллельные интерфейсы используют логические уровни ТТЛ, что ограничивает длину кабеля (как правило, не более 5 метров) из-за невысокой помехозащищенности ТТЛ-интерфейса. Гальваническая развязка отсутствует. Поэтому параллельные интерфейсы используются редко — для связи компьютеров с принтерами и организации сети между двумя компьютерами при их близком расположении.

3.2. Последовательные интерфейсы

Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом последовательно. Отсюда название интерфейса и порта. Английские термины — Serial Interface и Serial Port. Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и увеличить дальность связи. Характерной особенностью является применение не-ТТЛ сигналов. В ряде последовательных интерфейсов применяется гальваническая развязка внешних (обычно входных) сигналов от схемной земли устройства, что позволяет соединять устройства, находящиеся под разными потенциалами. К таким интерфейсам относятся RS-232, RS-422, RS-485, токовая петля и другие [5].

3.2.1. Способы последовательной передачи

Последовательная передача данных может осуществляться в асинхронном или синхронном режимах. При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу между посылками. Так работает, например UART (универсальный асинхронный приемо-передатчик). Формат асинхронной передачи показан на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1. Формат асинхронной передачи

Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (логический 0), обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости обмена. Внутренний генератор синхронизации приемника использует счетчик-делитель опорной частоты, обнуляемый в момент приема начала старт-бита. Этот счетчик генерирует внутренние стробы, по которым приемник фиксирует последующие принимаемые биты. В идеале стробы располагаются в середине битовых интервалов, что позволяет принимать данные и при незначительном рассогласовании скоростей приемника и передатчика. Очевидно, что при передаче 8 бит данных, одного контрольного и одного стоп-бита предельно допустимое рассогласование скоростей, при котором данные будут распознаны верно, не может превышать 5%. С учетом фазовых искажений и дискретности работы внутреннего счетчика синхронизации реально допустимо меньшее отклонение частот. Рекомендуется обычно отклонение не более 2%. Чем меньше коэффициент деления опорной частоты внутреннего генератора (чем выше частота передачи), тем больше погрешность привязки стробов к середине битового интервала, и требования к согласованности частот становятся более строгими. Чем выше частота передачи, тем больше влияние искажений фронтов на фазу принимаемого сигнала. Взаимодействие этих факторов приводит к повышению требований к согласованности частот приемника и передатчика с ростом частоты обмена.

Формат асинхронной посылки позволяет выявлять возможные ошибки передачи:

1. Если принят перепад, сигнализирующий о начале посылки, а по стробу старт-бита зафиксирован уровень логической единицы, старт-бит считается ложным и приемник снова переходит в состояние ожидания. Об этой ошибке приемник может и не сообщать.

2. Если во время, отведенное под стоп-бит, обнаружен уровень логического нуля, фиксируется ошибка стоп-бита.

3. Если применяется контроль четности, то после посылки бит данных передается контрольный бит. Этот бит дополняет количество единичных бит данных до четного или нечетного в зависимости от принятого соглашения. Прием байта с неверным значением контрольного бита приводит к фиксации ошибки.

Контроль формата позволяет обнаруживать обрыв линии, при этом принимаются логический нуль, который сначала трактуется как старт-бит, и нулевые биты данных, потом срабатывает контроль стоп-бита.

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с.

Количество бит данных может составлять 5, 6, 7 или 8 (5- и 6-битные форматы распространены незначительно). Количество стоп-бит может быть 1, 1,5 или 2 (“полтора бита” означает только длительность стопового интервала).

Синхронный режим передачи предполагает постоянную активность канала связи. Посылка начинается с синхробайта, за которым сразу же следует поток информационных бит. Если у передатчика нет данных для передачи, он заполняет паузу непрерывной посылкой байтов синхронизации. Очевидно, что при передаче больших массивов данных накладные расходы на синхронизацию в данном режиме будут ниже, чем в асинхронном. Однако в синхронном режиме необходима внешняя синхронизация приемника с передатчиком, поскольку даже малое отклонение частот приведет к искажению принимаемых данных. Внешняя синхронизация возможна либо с помощью отдельной линии для передачи сигнала синхронизации, либо с использованием самосинхронизирующего кодирования данных, при котором на стороне приемника из принятого сигнала могут быть выделены импульсы синхронизации. В любом случае синхронный режим требует дорогих линий связи или оконечного оборудования.

Изохронная передача напоминает асинхронную, только длина посылки там может быть гораздо больше. Это требует очень жесткого согласования частот передатчика и приемника, что достаточно дорого обходится при аппаратной реализации.